高速、高精度始終是數(shù)控技術(shù)追求的目標(biāo)。在高速加工中，必須要求各運(yùn)動(dòng)軸能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的速度并能在高速行程中瞬間準(zhǔn)停。如果僅從時(shí)間上去考慮縮短過渡過程，而不對(duì)機(jī)床的加減速動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行合理的控制，必將給機(jī)床結(jié)構(gòu)帶來很大的沖擊。隨著計(jì)算機(jī)總線技術(shù)越來越成熟，數(shù)控系統(tǒng)也由固定模式發(fā)展為具有開放性結(jié)構(gòu)，能方便用戶進(jìn)行客制化重組的柔性模式。結(jié)合數(shù)據(jù)庫原理，將影響系統(tǒng)過渡過程的加減速曲線，采用變結(jié)構(gòu)控制方式，能有效提高數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。
變加減速結(jié)構(gòu)控制原理
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中，一般由系統(tǒng)程序直接實(shí)現(xiàn)單一特定的加減速控制。它無法保證在機(jī)床啟停頻繁的情況下，同時(shí)滿足高進(jìn)給速度的瞬間起停和機(jī)床運(yùn)行的平穩(wěn)性。為解決此問題，一方面要求數(shù)控系統(tǒng)能因機(jī)而異、因時(shí)而異來動(dòng)態(tài)確定加減速控制規(guī)律;另一方面，需在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實(shí)現(xiàn)這種加減速曲線。本文提出的變加減速結(jié)構(gòu)控制方法采用數(shù)據(jù)庫原理，將加減速控制分為加減速描述與實(shí)施兩部分，并將加減速描述與系統(tǒng)程序相分離。這樣，若要改變系統(tǒng)的加減速控制規(guī)律只需獨(dú)立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，而不需要修改數(shù)控系統(tǒng)程序，從而為用戶提供一種開放的改變加減速曲線新方法。其原理為:將各種理想的加減速曲線事先進(jìn)行數(shù)字式處理，得到其離散化，并以樣板數(shù)表的形式存放于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的加減速曲線庫中。在數(shù)控系統(tǒng)軟件中，則設(shè)計(jì)一條通用的與加減速數(shù)據(jù)庫內(nèi)容無關(guān)的控制通道，由其獨(dú)立完成加減速計(jì)算和軌跡控制。。
加減速曲線庫中存放著各種樣板曲線。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊給出的有關(guān)控制數(shù)據(jù)和來自檢測反饋環(huán)節(jié)的機(jī)床實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行加減速分析。如需加減速控制，則通知曲線選擇模塊從加減速曲線庫中選出最合適的加減速曲線，并發(fā)出加減速控制指令給加減速計(jì)算模塊，由其根據(jù)所選定的加減速曲線計(jì)算出當(dāng)前采樣周期的瞬時(shí)速度。進(jìn)一步由插補(bǔ)軌跡計(jì)算模塊生成工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡，并發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令送往驅(qū)動(dòng)裝置，最后由驅(qū)動(dòng)裝置以希望的加減速控制規(guī)律驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)床運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性達(dá)到最佳。
三軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)組成及特點(diǎn)
整個(gè)系統(tǒng)以基于“工業(yè)PC機(jī)+專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡”為核心，采用松下數(shù)字交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)開放式硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)配備內(nèi)容豐富、功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫，采用VC++面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊。
PC機(jī)主要實(shí)現(xiàn)加工程序的輸入、編輯、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示以及加減速分析計(jì)算等非實(shí)時(shí)控制。運(yùn)動(dòng)控制卡完成各運(yùn)動(dòng)軸插補(bǔ)軌跡計(jì)算、輸出脈沖/方向運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)以及接收機(jī)床上一些與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)的I/O量輸入。其中，脈沖信號(hào)控制電機(jī)所走的步數(shù)，方向信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)三軸的位置控制。X軸、Y軸、Z軸原點(diǎn)、限位檢測是通過一組機(jī)械開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，原點(diǎn)檢測開關(guān)用來生成用戶三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)坐標(biāo)系原點(diǎn)，限位檢測開關(guān)確保每軸工作行程極限。這些狀態(tài)信號(hào)經(jīng)邏輯電平整形電路、光電隔離電路后送入運(yùn)動(dòng)控制卡狀態(tài)寄存器中，由CPU隨時(shí)讀出，達(dá)到對(duì)I/O狀態(tài)信號(hào)的檢測。在硬件上，由于采用了光電隔離措施，這樣，既隔離了外設(shè)對(duì)內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)的干擾，又能有效地防止過電壓、過電流等外界突發(fā)事件對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的損壞，大大提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。
本系統(tǒng)充分發(fā)揮了PC機(jī)軟件資源豐富和計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，吸收CAD/CAM的特點(diǎn)，在利用造型軟件生成零件圖后，再利用數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為加工G代碼，將指令G代碼與機(jī)床實(shí)際位置進(jìn)行分析比較產(chǎn)生瞬時(shí)速度，然后由板卡將其解釋為運(yùn)動(dòng)軌跡控制函數(shù)，最后通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫內(nèi)的插補(bǔ)程序段，輸出脈沖和方向信號(hào)，控制半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)所希望的空間軌跡路徑動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)精度。
基于松下交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器半閉環(huán)位置控制的實(shí)現(xiàn)
在松下伺服驅(qū)動(dòng)器接線端子上，PULS1、SIGN1分別與運(yùn)動(dòng)控制器的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)相連，PULS2、SIGN2接+5V信號(hào)，形成集電極開路的位置傳輸信號(hào)。COM+，COM-分別接+15V電源正負(fù)端。SRV-ON與COM-相連。這樣，就完成了位置控制模式下的基本連線。其它連線可根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行適當(dāng)連接。參數(shù)設(shè)置通過觸摸面板進(jìn)行，控制方式選擇置為位置控制，轉(zhuǎn)矩限制置為輸入無效，驅(qū)動(dòng)禁止置為輸入無效，指令脈沖輸入方式選擇置為脈沖/符號(hào)方式，指令脈沖禁止置為輸入無效。每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)置為2500。電子齒輪比可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。由于伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與工作臺(tái)的滾株絲杠相連，機(jī)械剛性高，將自動(dòng)增益調(diào)整時(shí)，機(jī)械剛性置為9，保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的高速響應(yīng)性。增益參數(shù)采用自動(dòng)調(diào)整方式:按照預(yù)定(內(nèi)部設(shè)定)的模式使電機(jī)加速和減速，從所需轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)荷的慣量，然后根據(jù)慣量，自動(dòng)地決定適當(dāng)?shù)脑鲆�。其它參�?shù)按出廠時(shí)的缺省設(shè)置。由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了半閉環(huán)交流伺服驅(qū)動(dòng)，控制精度和運(yùn)行速度得到極大的提高，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。
在位置控制方式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出的位置指令信號(hào)(脈沖/方向)，送入脈沖列形態(tài)，經(jīng)電子齒輪分倍頻后，在偏差可逆計(jì)數(shù)器中與反饋脈沖信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)。反饋脈沖是由光電編碼器檢測到電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的實(shí)際脈沖數(shù)，經(jīng)四倍頻后產(chǎn)生的。位置偏差信號(hào)經(jīng)位置環(huán)的復(fù)合前饋控制器調(diào)節(jié)后，形成速度指令信號(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)(與位置檢測裝置相同)比較后的偏差信號(hào)經(jīng)速度環(huán)比例積分控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換后，由SPWM輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制交流伺服電機(jī)的運(yùn)行。位置控制精度由光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制。它分增量式光電編碼器和絕對(duì)式光電編碼器。增量式編碼器構(gòu)造簡單，易于掌握，平均壽命長，分辨率高，實(shí)際應(yīng)用較多。本系統(tǒng)采用的是增量式光電編碼器。絕對(duì)式光電編碼器按二進(jìn)制編碼輸出，信號(hào)線多，由于精度取決于位數(shù)，所以高分辨率不易得到。但是這種編碼器即使不動(dòng)時(shí)也能輸出絕對(duì)角度信息，主要用于全閉環(huán)高級(jí)數(shù)控機(jī)床中。松下公司增量式光電編碼器伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方框。
合理的自動(dòng)加減速控制是保證高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的基于固定曲線的自動(dòng)加減速控制由于缺乏柔性，不易保證在機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)的前提下，實(shí)現(xiàn)以過渡過程時(shí)間最短為目標(biāo)的最優(yōu)加減速控制規(guī)律，難以滿足高速加工對(duì)精度的要求。采用變加減速結(jié)構(gòu)，利用系統(tǒng)的開放性，將加減速描述與數(shù)控系統(tǒng)程序相分離，使得改變系統(tǒng)加減速性能時(shí)只需獨(dú)立地修改加減速描述數(shù)據(jù)，它可方便地用實(shí)時(shí)離散數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)。這樣，系統(tǒng)可按實(shí)際情況改變升降速控制曲線，保證機(jī)床運(yùn)行的平滑性，是一種適合于高速加工的柔性自動(dòng)加減速控制方式。
